5. L’atome invisible
Gros plan à Caltech
p. 101-117
Texte intégral
1Si vous sortez un peu de ma ville natale de Dessouq, vous rencontrez des plantations d’orangers, de mandariniers, ainsi que des champs verdoyants séparés par des canaux d’irrigation qui captent les eaux de la branche de Rosette du Nil. Certains de ces champs sont plantés d’arbrisseaux qui vous arrivent à la taille, parfois un petit peu plus haut, et juste avant la récolte ils arborent de petites capsules renfermant des fibres d’un blanc brillant. Vous pouvez même prendre une de ces capsules dans la main et en tirer une fibre sur toute sa longueur. Cette fibre est une composante de ce qui fait la célébrité du pays : le coton égyptien.
2La fibre de cinq centimètres de long que vous tenez dans votre main sera finalement filée puis tissée pour produire un tissu qui, découpé et cousu, donnera une multitude de produits – mais ce que vous voyez dans le champ est simplement la fibre de base à partir de laquelle est fabriqué le tissu final. Bien entendu, pour obtenir un tissu de qualité, il faut partir des meilleurs cotons, aux longues fibres conservant une légère torsion qui leur permet de s’accrocher solidement les unes aux autres lors du filage. Pour un physicien ou un chimiste, l’observation rapprochée des atomes est très semblable à l’inspection des fibres à l’intérieur d’une capsule de coton. Mais quelle est la taille d’un atome ? Et pourquoi est-ce si difficile d’observer les « fibres » de la « capsule » du chimiste ?
3Imaginez que vous observiez une capsule de coton ouverte, qui mesure environ 10 cm de diamètre, depuis une distance d’un mètre. Imaginez également que vous agrandissiez un atome (dont la taille réelle est de l’ordre de 0,000 000 01 cm) pour lui donner la taille de la capsule (10 cm). Si vous voulez alors qu’il vous apparaisse à sa taille réelle, vous devrez le regarder depuis un point situé au-delà de la Lune, qui est à environ 385 000 km de la Terre. Autrement dit, la taille de l’atome est à celle de la capsule de coton ce que 1 est à un milliard, c’est-à-dire 109 fois plus petite. Étant donné ce rapport, on comprend facilement pourquoi les atomes, dont l’ordre de grandeur est le dixième de milliardième de mètre (voire moins), furent si longtemps considérés comme des objets imaginaires.
4La notion d’atome n’est en fait pas du tout moderne ; elle remonte à l’Antiquité grecque. Le mot atome signifie en grec « indivisible » (a-tomos, ou « insécable ») et désignait originellement les particules les plus élémentaires de la nature, celles que l’on ne pouvait décomposer en éléments constitutifs. Nombre des premiers philosophes grecs étaient plus des scientifiques que des philosophes au sens moderne du terme – ils observaient le monde naturel et tentaient d’expliquer ce qu’ils voyaient. Ils recherchaient l’origine de toute la matière, les constituants fondamentaux de l’univers et de l’homme. Certains disaient que, la Terre et la vie ayant besoin d’eau, l’eau était l’élément primordial de toute la nature. D’autres considéraient que le feu était le principe premier, et d’autres encore que ce principe premier était le changement – rien n’était immuable. Tous ces concepts avaient certes une connotation philosophique, mais ils furent cependant aussi les premières tentatives de compréhension scientifique de l’univers.
5C’est à Démocrite, dont le portrait ornait la pièce de dix drachmes en Grèce, que l’on doit d’avoir véritablement développé le concept d’atome, initialement introduit par son maître Leucippe, pour lequel tout ce qui était matériel était composé de minuscules particules indestructibles, invisibles à l’œil nu. Ces premiers atomistes affirmaient que l’univers est constitué d’innombrables atomes individuels et que sa complexité résulte de l’infinie multiplicité de leurs arrangements. Mais ces atomes avaient un poids (une masse) et une « vibration », autrement dit ils se déplaçaient et interagissaient, et leurs « collisions » créaient de nouvelles substances. De telles idées représentaient une percée fantastique car, il y a deux millénaires et demi, il y avait très peu de données expérimentales disponibles sur le sujet. Et ce fut en le traitant de manière abstraite qu’ils aboutirent à cette nouvelle hypothèse : l’unicité sous-jacente à la complexité de la matière.
6Avec le temps, l’intérêt pour la théorie atomique de Démocrite s’émoussa – Aristote lui-même la rejeta. Pour certains, l’atomisme suggérait un monde totalement matériel, un monde sans dieux. « Seuls existent les atomes et le vide », proclamait Démocrite. Ces premiers atomistes associant leurs conceptions scientifiques à une éthique et une philosophie, la présence, dans leurs écrits, des mots « plaisir » et « bonheur » pour désigner le but suprême de la vie convainquit par la suite de nombreux chefs religieux qu’ils étaient de purs hédonistes, des gens vivant uniquement pour le vin, les femmes et les chansons. Il n’en était rien, car ils disaient également que le bonheur ne résidait pas dans les possessions matérielles et l’argent, mais s’obtenait uniquement par la droiture morale et la recherche de la vérité. Pourtant, ce malentendu eut pour conséquence de faire disparaître l’atomisme du discours savant.
7Il fallut attendre l’époque moderne, vers 1600 apr. J.-C., pour que l’atomisme connaisse un véritable regain d’intérêt. Rétrospectivement, Démocrite avait réussi, grâce à la pensée rationnelle, à « soulever un coin du grand voile », comme le dit Einstein à propos de Louis de Broglie, lorsque celui-ci, en 1924, émit l’hypothèse de la dualité de la matière. Ainsi que l’écrivit Hans Christian von Baeyer dans son livre Taming the Atom, « en termes de puissance et de longévité, aucun empire ne peut rivaliser avec cette idée d’atomisme ». Après vingt-cinq siècles, nous célébrons encore cette idée fondamentale. Lorsqu’en juin 2001, à l’occasion d’une conférence Onassis, en Crète, je retraçai l’histoire de l’atomisme depuis l’époque de Démocrite jusqu’au xxie siècle, j’eus le plaisir de constater que le peuple grec était encore fier et restait curieux de la science que Démocrite avait inspirée.
8La réintégration du mot « atome » dans le discours scientifique souleva cependant des problèmes conceptuels : à quoi ressemblait exactement un atome ? possédait-il des composantes internes ? combien y avait-il de sortes d’atomes ? comment s’associaient-ils les uns aux autres et quelles étaient les règles de leurs associations ? Une myriade de données expérimentales conduisit à certaines conclusions. Aujourd’hui, nous savons beaucoup de choses sur les mécanismes de formation des molécules à partir des atomes ainsi que sur leurs interactions. Tout cela constitue la base de notre chimie actuelle – si vous prenez tel et tel élément et que vous les mélangez en telles proportions, vous obtenez tels et tels produits de réaction. C’étaient là quelques-uns des premiers concepts que les chimistes modernes purent explorer, et ces réactions les aidèrent à mieux comprendre l’atome.
9À la fin du xixe siècle, le Russe Dmitri Mendeleïev élabora un tableau périodique classant les éléments naturels – au nombre d’une soixantaine à l’époque, soit environ la moitié de ce que nous connaissons aujourd’hui. Tout le monde s’accorda pour dire que les types d’atomes étaient en nombre fini et se distinguaient, entre autres, par leur poids atomique. Vers 1800, les travaux de l’Anglais John Dalton et d’autres savants posèrent les fondements conceptuels de la combinaison atomique et de la formation des composés. Fait intéressant, durant des siècles, notre vision des atomes resta largement imaginaire et spéculative. Elle ne reposa pas sur des photographies ou d’autres images directes – la technologie adéquate n’existait pas encore. Les scientifiques connaissaient des choses sur la composition chimique, mais leur visualisation des structures résultantes semblait souvent trop emprunter au monde macroscopique ou à une forme ou une autre d'« au-delà » – les sorcières, les esprits ou les forces vitales.
10Un éminent scientifique (et architecte de formation), Friedrich August Kekulé, connu pour ses études sur les structures chimiques, s’efforça au milieu du xixe siècle de visualiser l’arrangement des atomes de carbone constituant la molécule de benzène – un composé organique aussi commun dans la nature qu’au laboratoire. Selon la légende, frustré par ses tentatives infructueuses, il s’assoupit finalement devant sa cheminée et vit en rêve les flammes qui s’en élevaient se transformer en un serpent s’enroulant dans l’air et se mordant la queue. Ce fut apparemment la première vision de l’anneau du benzène !
11En 1895, Wilhelm Röntgen découvrit les rayons X, et dans les années 1910 William et Lawrence Bragg montrèrent que la traversée des cristaux par ces rayons offrait une nouvelle technique expérimentale permettant d’étudier la structure des molécules. De même que les rayons X permettent de photographier nos os, cette nouvelle technique permet de voir les molécules à l’échelle atomique. Pour ces contributions, Röntgen reçut le premier prix Nobel de physique, en 1901, et les Bragg, père et fils, se partagèrent celui de 1915.
12Au début du xxe siècle, les scientifiques s’accordaient pour reconnaître que l’atome est composé de trois constituants : le proton, le neutron et l’électron. L’électron avait été découvert en 1897. Joseph Thomson, à Cambridge, avait conçu un dispositif pour étudier la nature des « rayons cathodiques ». Ces rayons se forment lorsque deux électrodes, la cathode et l’anode, placées à l’intérieur d’un tube où règne une faible pression, sont soumises à un champ électrique. Thomson remarqua que, lorsque les rayons émis par la cathode traversaient un trou percé dans l’anode, un point lumineux vert se formait sur la paroi du tube, et que ce point lumineux se déplaçait vers le bas en présence d’un aimant. Le mouvement de ce point et le fait que son comportement était indépendant du matériau composant la cathode ou du gaz emplissant le tube convainquirent Thomson que ces rayons (un courant) étaient composés de particules électriquement chargées, dont il parvint ensuite à évaluer la masse – presque deux mille fois plus petite que la masse (alors connue) de l’atome d’hydrogène.
13L’identification par Thomson de ce « corpuscule » à un constituant de toute la matière, doté en outre d’une charge spécifique (le célèbre rapport e/m), constitua un progrès décisif. Thomson reçut le prix Nobel de physique 1906 pour sa découverte de l’électron et de sa nature particulaire (e/m), et son fils, George Thomson, reçut, avec Clinton Davisson, le prix Nobel de physique 1937 pour la découverte du caractère ondulatoire de l’électron. En 1997, lors de la célébration à Cambridge du centenaire de la grande découverte de Joseph Thomson, j’eus l’honneur de faire un exposé passant en revue les conséquences de cette découverte pour la chimie.
14Grâce aux travaux d’Ernest Rutherford – qui lui valurent le prix Nobel de chimie 1908 –, nous savons désormais que les atomes possèdent un noyau et qu’il est composé de protons et de neutrons. En outre, la physique des particules nous a appris que ces deux gros composants atomiques sont eux-mêmes constitués de quarks. Malgré cette décomposition de l’atome en sous-particules, l’atomisme reste un concept profond. C’est ce que résuma Feynman lorsqu’il écrivit : « Si vous deviez décrire en une phrase notre connaissance scientifique la plus importante, quelle serait cette phrase aujourd’hui ? Eh bien, elle serait : “Tout est composé d’atomes !” »
15Notre vision de l’atome n’émergea véritablement qu’avec le développement de la mécanique quantique, à partir de 1900. Nombreux furent les savants qui contribuèrent à ce développement, et parmi eux figurent quelques-uns des plus illustres physiciens du xxe siècle : Niels Bohr, qui vint travailler en Angleterre avant de retourner fonder un célèbre institut de physique à Copenhague ; Werner Heisenberg en Allemagne ; l’Autrichien Erwin Schrödinger, qui réalisa son premier travail fondamental à l’université de Zurich. Bohr élabora un modèle atomique dans lequel les électrons orbitent autour du noyau sur des couches discrètes, les orbitales, à la manière des planètes autour du Soleil. Mais ces orbitales ne se définissent pas de la même manière que, par exemple, l’orbite de la Terre autour du Soleil : l’orbitale d’un électron ne correspond pas à une trajectoire précise, mais à une zone de probabilité dans laquelle on a le plus de chances de le trouver. Néanmoins, le modèle de Bohr, avec son hypothèse de quantification, s’est révélé si fécond qu’il permet – dans le cas d’un atome stable – de décrire le mouvement des électrons autour du noyau et d’expliquer les spectres observés. Ce modèle valut à Bohr le prix Nobel de physique 1922.
16Cette image planétaire de l’atome est cependant incomplète, car le monde atomique diffère du monde macroscopique. Dans le monde microscopique des atomes (et des molécules), la matière présente une dualité – elle se comporte tantôt comme une particule, tantôt comme une onde. Quelle étrange idée, d’autant que nous considérons les objets de notre vie quotidienne comme de simples masses au repos ou en mouvement – jamais nous ne pensons à notre caractère ondulatoire ! La connaissance du monde microscopique est également soumise à une incertitude. Dans notre vie quotidienne, nous connaissons notre position dans l’espace – nous savons où nous sommes – et la vitesse à laquelle nous nous déplaçons. Grâce aux équations de Newton, nous pouvons prédire avec précision la trajectoire de notre mouvement.
17Dans le monde microscopique, une telle précision n’existe pas : c’est le principe d’incertitude de Heisenberg. Nous savons pourquoi cette incertitude est insignifiante pour les corps massifs tels que les nôtres et nous savons calculer ces incertitudes. Je reviendrai plus loin sur ce point. Malgré cette incertitude liée au monde microscopique, nous savons utiliser la mécanique quantique et faire le lien entre le caractère ondulatoire de l’électron et la probabilité de trouver cet électron. Et ces mêmes règles quantiques s’appliquent lorsque les atomes se combinent pour former des molécules.
18À l’époque préquantique, les liaisons des atomes au sein des molécules se décrivaient « classiquement » en disant que les électrons étaient mis en commun (ce que les chimistes représentaient par des points) par les atomes ou qu’ils étaient attirés par certains des atomes en présence – les ions –, porteurs de charges positives ou négatives. Cette description permettait d’expliquer les structures et les propriétés chimiques. Au début du xxe siècle, Gilbert Lewis, à Berkeley, apporta une contribution majeure dans ce domaine. Après l’arrivée de la mécanique quantique, Linus Pauling, à Caltech, donna une version simplifiée des arrangements atomiques dans l’espace, fondée sur l’hybridation des orbitales atomiques et l’emploi de descriptions quantiques. Pour ce travail sur la nature de la liaison chimique, il reçut le prix Nobel de chimie 1954.
19Pauling et tous les théoriciens modernes spécialistes de ce domaine fondaient leurs recherches sur les travaux de Schrödinger en mécanique ondulatoire, qu’il commença en 1926 et pour lesquels il partagea en 1933 le prix Nobel de physique avec Paul Dirac, autre éminent physicien. En 2001, j’ai donné, à l’université de Zurich, la conférence Schrödinger célébrant le soixante-quinzième anniversaire de sa première équation. J’ai évoqué alors le statut de la liaison et de la dynamique chimiques, ainsi que l’impact de cette équation, dont l’application couvre tous les domaines des sciences physiques – c’est certainement l’une des plus importantes équations du siècle.
20Pour obtenir notre première photographie stationnaire d’un atome – libre ou lié –, nous avons dû attendre les années 1980, soit plus de dix ans après que Neil Amstrong eut accompli les premiers pas d’un être humain sur la Lune, le 20 juillet 1969. L’électron, l’atome chargé (ion) et l’atome neutre ont depuis été isolés et étudiés à l’aide de champs magnétiques, de champs électriques et de lasers. Plusieurs prix Nobel ont récompensé ces contributions à la spectroscopie et au piégeage d’un seul électron et d’un seul ion (N. Ramsey, H. Dehmelt et W. Paul, en 1989), au piégeage et refroidissement laser (S. Chu, C. Cohen-Tannoudji et W. D. Phillips, en 1997) et à la microscopie à effet tunnel à balayage.
21La microscopie à effet tunnel à balayage fournit des images d’atomes stationnaires liés au sein de molécules déposées sur des surfaces. Cette contribution valut à Gerd Binnig et Heinrich Rohrer, du laboratoire IBM de Zurich, le prix Nobel de physique 1986. En appliquant un courant entre la pointe d’une aiguille et une surface métallique pratiquement en contact avec elle, le passage des électrons diminue très rapidement autour de la pointe, de sorte que la résolution des substances déposées sur la surface approche l’échelle atomique – bien plus petite que toute aiguille fabriquée industriellement. On obtient ainsi une carte topographique de la surface, ainsi que cela fut réalisé pour la première fois en 1988 en montrant ce à quoi ressemble une molécule de benzène déposée sur une surface métallique – Kekulé aurait été aux anges !
22Malgré ces progrès majeurs dans la visualisation de l’atome stationnaire et de ses composants, les scientifiques modernes n’avaient jamais vu des atomes en mouvement et n’avaient qu’une idée extrêmement vague de ce qu’était, en « temps réel » et aux niveaux atomique et moléculaire, le mouvement associé aux interactions chimiques. En 1976-1978, mes recherches me conduisirent à réfléchir sur la cohérence au sein des systèmes moléculaires, cohérence qui s’avéra par la suite cruciale pour la compréhension, à l’échelle atomique, de la dynamique des liaisons chimiques. Pour reprendre l’exemple du chapitre précédent – la foule marchant dans la rue –, si, lorsqu’une personne avance son pied gauche, toutes les autres personnes avancent pareillement leur pied gauche, alors le mouvement de la foule est cohérent. Autrement dit, il y a cohérence lorsque les personnes du vingtième rang se déplacent « en phase » avec celles du premier rang. Au niveau des molécules, même de milliards de molécules, on obtient cette cohérence en les sondant et en les contrôlant à l’aide de méthodes cohérentes.
23Cette idée de cohérence et les possibilités qu’elle offrait pour l’observation intime des molécules – grandes ou petites – en action me captivèrent. Plusieurs collègues de Caltech – et de nombreux autres à l’extérieur – étaient cependant loin de partager mon enthousiasme. J’avais par exemple donné une conférence au cours de laquelle un éminent chimiste exprima le sentiment général en disant que la cohérence n’était pas pertinente en chimie ! Le concept étant cependant fondamental dans de nombreux processus physiques, je fus tout naturellement invité fréquemment à des conférences de physique pour faire état des tout derniers résultats de notre groupe. Ma confiance dans notre idée initiale concernant l’importance de la cohérence resta intacte. En fait, ce concept de cohérence se révéla fondamental pour la femtochimie, et il est aujourd’hui généralement admis comme un élément clé du sondage et du contrôle de la dynamique moléculaire à l’échelle atomique.
24En mai 1980, Rick Smalley donna à Caltech un séminaire intitulé « Relaxation vibrationnelle des molécules polyatomiques dans les jets froids ». Il parla de son travail exaltant sur les spectres d’une grosse molécule polyatomique appelée naphtalène. Ces spectres lui permettaient de déduire le « temps de relaxation ». En écoutant Rick, avec dans ma tête mes idées sur la cohérence, je me convainquis que la manière d’observer la dynamique était d’utiliser non pas les caractéristiques spectrales apparentes, mais des techniques laser cohérentes. Ma conviction fut en outre confortée par le fait qu’il nous fallait mesurer directement les vitesses de redistribution de l’énergie – savoir à quelle vitesse l’énergie au sein d’une grosse molécule isolée (par exemple, le naphtalène) se répartit sur tous les mouvements atomiques.
25Pour tester ces idées, nous avons dû construire un nouveau dispositif comprenant une chambre à vide pour accueillir le faisceau parallèle de molécules supersoniques sortant de la source. Notre premier dispositif émetteur de molécules supersoniques était gigantesque. Bien que la méthodologie fût connue de quelques physiciens et chimistes, nous ne connaissions pas grand-chose sur cette technologie. Notre défi fut de construire un laser ultrarapide pour l’utiliser avec le nouveau faisceau moléculaire. Il fut conçu en un temps relativement court et construit (en partant de zéro !) grâce aux efforts de deux étudiants (l’un d’eux consomma probablement des centaines de kilos de café !). L’étape critique pour la majeure partie de nos travaux ultérieurs fut l’interface entre le faisceau moléculaire et le laser picoseconde.
26Au début, nous avons cherché à mesurer directement, à l’aide de notre laser picoseconde, la vitesse de redistribution d’énergie vibratoire dans une molécule isolée. Le laser envoyait de l’énergie dans un type de mouvement vibratoire moléculaire et nous voulions voir l’évolution de cette énergie vis-à-vis de tous les autres mouvements possibles dans la même molécule. Nous pensions obtenir une décroissance temporelle (exponentielle) de la population de molécules dans l’état vibratoire initialement excité, et éventuellement une croissance (une accumulation) de la population dans le nouvel état de mouvement après la redistribution – et observer ainsi le processus tout entier, du début à la fin, en temps réel.
27Ce que nous vîmes sur les gros systèmes, en l’occurrence la molécule d’anthracène isolée, fut inattendu et contraire à la sagesse populaire. Durant la redistribution d’énergie, la population oscillait de manière cohérente, avec une (des) période (s) et des phases bien définies ; autrement dit, il y avait non pas décroissance, mais renaissance, et toutes les molécules, comme les gens dans la rue, se mouvaient de manière cohérente, en phase. Selon la légende, c’est en observant le balancement d’un lustre dans la cathédrale de Pise que Galilée aboutit au concept de pendule et de mouvement périodique cohérent. De même, dans une grosse molécule, chaque mouvement vibratoire est analogue à un pendule ; mais, en raison du grand nombre d’atomes dans la molécule, on a affaire à des myriades de mouvements vibratoires de ce type. Si ces mouvements ne présentaient aucune cohérence, on ne verrait rien qui ressemble au comportement observé.
28Ces résultats nous enthousiasmaient, car ils révélaient l’importance de la cohérence et son existence même au sein de systèmes moléculaires complexes. Je savais que cette découverte susciterait une attention et un scepticisme considérables. Il nous fallait être très minutieux dans nos vérifications expérimentales de cette observation, et nous ne cessâmes, mes étudiants et moi-même, d’aller au laboratoire pour tester sa validité. Puis, en 1981, Bill Lambert, Peter Felker et moi publiâmes une « communication » dans le Journal of Chemical Physics. Un autre groupe avait avant nous annoncé un tel « effet de cohérence quantique » dans les grosses molécules, mais son observation s’avéra résulter d’un artifice. Certains spécialistes étaient sceptiques à l’égard de notre nouvelle observation et plusieurs théoriciens affirmèrent que la molécule (l’anthracène) était trop grosse pour permettre d’observer des effets de cohérence quantique entre ses états vibratoires. Certains affirmèrent également que les molécules pouvaient tourner, et que le couplage de leurs mouvements rotatoire et vibratoire empêchait de telles observations.
29Après la communication de 1981, nous publiâmes plusieurs autres articles – l’effet se manifestait plus nettement à mesure que nous affinions notre résolution temporelle. Les physiciens appréciaient ces nouveaux résultats et nous publiâmes, dans les Physical Review Letters, un article sur la nature de ce mouvement non chaotique dans les systèmes isolés. Nico Bloembergen, lauréat du prix Nobel de physique en 1989, se trouvait à l’époque à Caltech, et les discussions que nous eûmes avec lui se traduisirent notamment par une recension, publiée en 1984, sur la pertinence de ces nouveaux résultats pour induire une sélectivité par laser. Notre groupe – comme d’autres aux États-Unis et au Canada – démontra ensuite la prédominance de ce phénomène dans nombre d’autres grosses molécules. Comme c’est souvent le cas en science, une fois un phénomène controversé établi, il apparaît naturel et même évident, et est rapidement accepté. Avec le recul, on peut dire que notre observation, nouvelle et inattendue, marqua un changement de paradigme.
30Ces découvertes sur la cohérence étaient importantes pour de futurs développements, en particulier parce qu’elles montraient que l’on pouvait trouver un mouvement cohérent et ordonné au sein du mouvement moléculaire normalement chaotique, et cela malgré la présence de ce que l’on appelle un « réservoir de chaleur », susceptible de drainer de l’énergie et de détruire la cohérence. Désormais je savais pourquoi la cohérence n’avait auparavant jamais été détectée dans les systèmes complexes : non parce qu’elle n’existait pas, mais tout simplement parce qu’il n’y avait pas de sonde adéquate pour la détecter. Nos expériences sur l’anthracène reposaient sur une corrélation des résolutions en temps et en énergie. Cette corrélation fut décisive pour notre réussite et pour le développement ultime de la femtochimie.
31Tout en poursuivant nos études sur les redistributions de l’énergie vibratoire, nous nous lançâmes dans de nouvelles observations, aux résolutions temporelles plus fines, portant sur des molécules exhibant divers processus chimiques ou subissant des mouvements de rotation. Nos succès sur l’anthracène nous incitaient à nous demander si cette cohérence ne se trouvait pas également dans le mouvement rotatoire cohérent des molécules complexes. Certaines théories suggéraient qu’une telle cohérence était impossible sous prétexte qu’elle était détruite par les interactions moléculaires complexes.
32Approfondissant la théorie, nous avons découvert avec surprise que si nous pouvions aligner les molécules à l’aide d’un laser ultrarapide polarisé, puis sonder les molécules en rotation avec un autre laser, nous devions pouvoir observer le mouvement rotatoire cohérent (appelé récurrences), ce qui nous permettrait ensuite de calculer la période complète de ces rotations. Classiquement, c’était comme si la molécule retrouvait, par rotation, sa configuration initiale. Cette période de rotation donne le moment d’inertie de la molécule ; les masses des atomes étant connues, nous pouvions alors déduire les distances et donc obtenir des informations sur la dimension moléculaire de très grosses molécules.
33C’est effectivement ce qui se passa : nous observâmes ces récurrences avec une très grande précision et cette observation nous permit de déduire les dimensions moléculaires. Ces observations détrônèrent un dogme tenace. La cohérence du mouvement rotatoire d’une molécule complexe était manifeste et pouvait être sondée par une méthode similaire à celle qui nous avait permis d’étudier la cohérence vibratoire. Cette approche se heurta elle aussi à un certain scepticisme concernant son applicabilité aux structures moléculaires. Elle est cependant aujourd’hui reconnue comme une technique très féconde ; plus de cent vingt structures ont été étudiées grâce à elle. Elle est désignée sous le nom de spectroscopie rotationnelle cohérente et a été utilisée avec succès dans nombre de laboratoires.
34Entre-temps, au début des années 1980, survint un événement qui me ramena en Égypte pour la première fois depuis 1969. Je reçus un appel du Dr El-Sadr, le médecin qui avait signé ma demande de congé de l’université d’Alexandrie. De passage à Los Angeles, il avait entendu parler de nos succès à Caltech et me demandait s’il pouvait venir m’exposer un projet qu’il était en train de développer. Je tremblais à l’idée de le voir, non pas de peur, comme lors de notre première rencontre, mais de surprise. Dès que j’entrai dans la salle de réunion, où nombre de personnes étaient déjà présentes pour lui souhaiter la bienvenue à Los Angeles, nous nous reconnûmes. Manifestement, il n’avait pas oublié la signature qui m’avait permis de venir à l’université de Pennsylvanie – moi, en tout cas, je ne l’avais pas oubliée. Après avoir ri aux éclats avec moi en évoquant cette première rencontre, il me dit : « Mais aujourd’hui, c’est moi qui ai besoin de votre aide ! »
35Le Dr El-Sadr avait en fait plusieurs projets. Le premier était que je vienne donner une série de conférences aux étudiants d’un centre universitaire qu’il dirigeait à Alexandrie – invitation que j’acceptai avec joie. Ensuite, il désirait mon aide pour élaborer le programme scientifique de ce centre universitaire ; et, enfin, il pensait que je pourrais participer activement à la direction des recherches conduites dans un centre annexe, nouvellement construit et appelé United Nations Alexandria Research Center (UNARC, Centre de recherche des Nations unies à Alexandrie). L’UNARC ambitionnait d’être une nouvelle institution consacrée à la recherche scientifique de pointe et fonctionnant en dehors de la bureaucratie standard. Je promis d’y faire une visite.
36En décembre 1980, j’atterris en Égypte, impatient de retrouver ma famille et ma patrie après onze années d’absence. Je me rendis à Alexandrie, Damanhour et Dessouq, et je passai quelque temps en famille. Je constatai l’effet de l’âge sur mes parents et culpabilisai de ne les avoir pas revus plus tôt. Je consacrai le maximum de mon temps à mes parents et à mes sœurs et je les emmenai au Caire, en partie pour arrêter les pleurs de ma mère, qui s’intensifiaient à mesure qu’approchait la date de mon départ.
37Je revins à Alexandrie faire trois conférences à l’UNARC ; j’y retrouvai également quelques amis et visitai des lieux que j’avais aimés autrefois, dont le Zephirion à Abou Qir. Moustafa el-Sayed et moi descendîmes à l’hôtel Cecil et nous passâmes de bons moments ensemble. Mon séjour dans cet hôtel me rappela le bon vieux temps à Alex. Un incident me rappela cependant la « décontraction égyptienne » régnant même parmi les universitaires. Un professeur m’ayant invité à faire une conférence à l’université, nous avions prévu qu’il passerait me prendre à neuf heures du matin. La conférence était à onze heures. Victime de l’obsession américaine de la ponctualité, je descendis dans le hall de l’hôtel à huit heures trente et j’attendis… Finalement, le professeur arriva à onze heures trente. Énervé, je lui demandai immédiatement après les salutations : « Et la conférence à onze heures ? — Ne vous inquiétez pas, me dit-il, nous allons d’abord faire un bon repas aujourd’hui, et demain vous ferez la conférence. » Je me demandai si une telle chose pouvait se produire à Caltech. Bien sûr que non. Mais je dois dire que le repas fut merveilleux. J’ai fait ma conférence le lendemain – et la Terre ne s’est pas arrêtée de tourner pour autant !
38Dans le cadre des divers projets du Dr El-Sadr, j’organisai à Alexandrie une conférence scientifique internationale, qui ·devait se tenir entre le 10 et le 15 janvier 1983. Je revins en Égypte en décembre 1982, accompagné de ma secrétaire, Tina Wood, venue m’aider pour les préparatifs. Nous allâmes d’abord au Caire, puis à Alexandrie, à l’UNARC, où se déroula la conférence. Ensuite, nous allâmes en haute Égypte, où nous vîmes, à Louksor et Assouan, les restes de cinq mille ans de civilisation – et cela me rappela ma première visite en ces lieux, alors que j’étais étudiant à Alexandrie.
39La conférence fut un succès total. Elle avait attiré des gens du monde entier, plus de deux cents personnes, dont plusieurs devaient devenir lauréats du prix Nobel ; Yuan Lee, Rudy Marcus et John Polanyi étaient là. Deux prix Nobel y participèrent, Nico Bloembergen et George Porter. Les participants me rappellent aujourd’hui encore cet événement historique, qui me valut de nombreuses lettres de félicitations. Pendant son déroulement, je me suis soucié de tout jusqu’au moindre détail, de l’ampoule dans le projecteur de diapos à la sécurité de mes hôtes en passant par des demandes d’aspirine à deux heures du matin. Tout fut méticuleusement organisé, et cela poussa George Porter à dire, comme le rapportent les comptes rendus de la conférence :
Tout le monde le sait parfaitement aujourd’hui, cette réunion fut conçue, avec un soin considérable, par Ahmed Zewail, le dernier des pharaons, aujourd’hui exilé en Californie. Il a veillé à ce que, dans cette ville intemporelle, aucune minute ne fût perdue et que chaque exposé fût aussi précisément programmé que s’il avait été donné devant la Royal Institution. Ce soir, on m’a attribué cinq minutes. Cela signifie, malheureusement, que je n’aurai pas de temps pour mes démonstrations – notamment, la danse du ventre que j’avais prévue à votre intention. C’est là le sacrifice que vous devez accepter aujourd’hui pour préserver l’efficacité et la parfaite organisation dont nous sommes grandement redevables à Ahmed et à son dévoué comité.
40Tina et les gens de l’UNARC, ainsi bien sûr que le Dr El-Sadr, me furent d’un secours immense !
41Après nos « retrouvailles » inopinées, le Dr El-Sadr et moi avons noué une amitié qui s’est poursuivie jusqu’à sa mort. Dès notre première rencontre, je sus que c’était un visionnaire, et son travail avec l’UNARC le démontra incontestablement. Cet homme était exceptionnel à de nombreux égards, notamment par son éloquence – son discours, publié dans les comptes rendus de la conférence, en témoigne de manière éclatante. En son honneur, et sur proposition de la Conférence internationale sur la photochimie et la photobiologie, j’ai créé un prix à son nom à l’université d’Alexandrie. Quelques années avant sa mort, il me demanda de revenir en Égypte pour diriger l’UNARC, mais j’ai respectueusement décliné l’offre.
42Mes recherches à Caltech progressaient rapidement, et nous disposions désormais de quatre laboratoires pour faire tourner nos expériences. Dans l’un deux, nous poursuivions nos travaux sur la cohérence ; dans les autres, nous affinions les techniques de résolution temporelle et développions un analogue optique de la résonance magnétique nucléaire (RMN). La RMN, l’utilisation du spin des noyaux et de leurs transitions aux fréquences radio, connaît de nombreuses applications allant de l’étude de la structure moléculaire à l’imagerie par résonance magnétique, aujourd’hui communément utilisée dans les hôpitaux aux quatre coins du monde.
43Réaliser des expériences de RMN dans le domaine optique avec des lasers n’était pas simple, car le contrôle des phases était extrêmement difficile lorsqu’on utilisait des impulsions optiques à la place des impulsions radio utilisées en RMN. Avec Warren Warren, un boursier post-doc de mon groupe qui avait travaillé avec Alex Pines à Berkeley et est aujourd’hui à Princeton, nous avons conduit la première de ces expériences et en avons publié le résultat en 1981, juste après la « communication » sur l’anthracène publiée dans la même revue. En l’espace d’une année, nous avions fait progresser ce travail et proposé un certain nombre d’applications. Avec ce dernier résultat, nous pouvions non seulement exciter et sonder des molécules de manière cohérente, mais aussi contrôler la phase aux fréquences optiques avec des lasers à impulsions.
44Toutes mes pensées étaient désormais tournées vers l’obtention d’une meilleure résolution temporelle. Nous avions certes des lasers picosecondes (10‑12 seconde) à Caltech, mais je voulais passer sous la barre des picosecondes. Une nouvelle technologie, le compresseur d’impulsion, nous aida à aller dans la bonne direction. Dès que j’entendis parler de cet appareil, je fus très impatient d’en acheter un, mais celui que je désirais, un modèle de Spectra Physics qui pouvait réduire la largeur de l’impulsion laser à une durée inférieure à la picoseconde, n’était pas immédiatement disponible. Un représentant de la firme me dit qu’il faudrait « seulement quelques mois » pour en construire un, ce qui me parut une éternité. Il me dit également qu’il en existait déjà un et qu’il avait été acheté par le professeur Duane Smith, de Purdue University. Ce fut une nouvelle fabuleuse, car Duane avait été l’un de mes tout premiers doctorants et j’étais sûr qu’il me le prêterait en attendant que le nôtre arrive.
45J’appelai donc Duane et lui expliquai, tout excité, comment nous pensions, une fois ce nouveau compresseur intégré dans notre montage laser, observer directement la rupture des liaisons au sein d’une molécule. Il fut enchanté d’expédier le compresseur à Pasadena et vint même participer quelques semaines à notre expérience. Nous pûmes alors observer, avec une résolution inférieure à la picoseconde, la rupture des liaisons au sein d’une molécule triatomique. Nous avons présenté cette observation dans un article qui parut en décembre 1985 dans le Journal of Physical Chemistry, article cosigné par Norbert Scherer – à l’époque doctorant et aujourd’hui professeur à l’université de Chicago –, Joe Knee – boursier post-doc et aujourd’hui professeur à la Wesleyan University et Duane.
46Nous n’avions pas encore résolu alors les états transitoires – les structures intermédiaires entre les réactants et les produits – de cette réaction, mais nous avions détecté l’apparition des produits, de sorte que je savais que nous étions près du but. Je sentais qu’une fois que nous disposerions d’impulsions laser avec une résolution temporelle plus fine de seulement un ordre de grandeur, nous pourrions résoudre les états transitoires ! J’avais déjà suggéré cela dans le dernier paragraphe de l’article de 1985. En termes plus courants, notre « image » était encore floue, sa mise au point n’était pas tout à fait parfaite, mais nous avions fait un gros plan qui nous avait permis de saisir le mouvement.
47On peut faire un parallèle entre notre travail et la chronophotographie du cheval au galop. Les chevaux furent les sujets des premières chronophotographies de qualité, réalisées à la fin du xixe siècle, non loin de Caltech, à Palo Alto, puis à mon alma mater, l’université de Pennsylvanie. Au printemps 1872 avait eu lieu une discussion animée entre Leland Stanford, un magnat des chemins de fer, et plusieurs de ses amis. L’argument n’était pas nouveau : lorsqu’un cheval était au trot, lui arrivait-il de n’avoir aucun sabot en contact avec le sol ?
48En fait, les anciens Égyptiens représentaient les chevaux tirant les chariots des pharaons avec un, ou le plus souvent deux sabots touchant le sol. Selon la légende, Stanford, qui possédait une écurie de pur-sang, paria vingt-cinq mille dollars – une coquette somme pour l’époque – qu’à un moment donné le cheval décollait entièrement du sol. Pour trancher, il demanda au photographe Eadweard Muybridge de concevoir un dispositif qui permettrait de photographier le mouvement de ses chevaux.
49Après quelques essais, Muybridge lui apporta une série de photographies, les plus nettes. et les plus scientifiquement précises que l’on pouvait obtenir avec le matériel disponible à l’époque. Pour ne pas être gêné par la poussière, qui aurait pu masquer les sabots du cheval, Muybridge construisit une piste caoutchoutée le long de laquelle il plaça un fond blanc afin d’obtenir un contraste maximum avec le corps noir du cheval. De l’autre côté de la piste, face au fond blanc, il disposa une batterie, d’abord de douze, puis de vingt-quatre appareils photographiques à double objectif, espacés de trente centimètres les uns des autres.
50À chaque appareil était attaché un fil traversant la piste. En passant, le cheval arrachait le fil, déclenchant l’appareil photographique correspondant. La vitesse de l’obturateur, environ un millième de seconde, et les films utilisés par Muybridge étaient les plus rapides existant alors. En outre, Muybridge faisait courir les chevaux lorsque la lumière du soleil fournissait l’image la plus nette possible. Quelques années plus tard, il publia ses clichés (qui avaient déjà circulé en privé) sous le titre « Cheval en mouvement » dans plusieurs journaux, dont Scientific American, la plus ancienne revue scientifique des États-Unis.
51Muybridge enregistra ensuite les mouvements d’un grand nombre d’animaux domestiques et sauvages, ainsi que d’êtres humains. Ce que montra clairement sa série sur le cheval, ce furent les « états transitoires » individuels entre la starting-gate et la ligne d’arrivée – avec des détails suffisamment nets pour qu’il n’y eût aucun doute : à certains moments, les chevaux décollent du sol. Ces travaux eurent une influence considérable sur de nombreuses études du mouvement animal et humain.
52Pour saisir les états transitoires des molécules, il faut une résolution temporelle immensément plus fine. Mais, quelle qu’elle soit, il faut aussi faire de la chronophotographie – j’y reviendrai dans le prochain chapitre. La résolution temporelle à laquelle nous étions parvenus au milieu des années 1980, 10 000 000 000 (1010) fois plus fine que celle de Muybridge, nous permit de voir les atomes en mouvement. Nous pûmes observer les états transitoires, image après image, des liaisons chimiques entre atomes et en faire un film d’animation qui, en l’occurrence, dure au plus quelques picosecondes – un millionième de millionième de seconde. Presque un siècle après les travaux de Muybridge sur le cheval, je publiai nos découvertes, également dans Scientific American, sous le titre « La naissance des molécules ». Ainsi que devait le dire la citation Nobel : « Les mouvements des atomes pris individuellement, tels que nous pouvons les imaginer, se laissent désormais observer. Ils ne sont plus invisibles. »
53L’arrivée à Caltech, en tant que boursier Sherman Fairchild, de l’éminent physicien chimiste Dick Bernstein nous apporta un réel coup de pouce. Dick était un homme intègre et n’avait aucun problème pour identifier des développements nouveaux. Il travaillait depuis trente ans sur la dynamique des réactions et percevait la portée de (ce qu’il appelait) notre percée. Il était expressément venu à Caltech pour travailler avec nous et son soutien enthousiaste m’encouragea. Dick était vraiment une personne généreuse. C’est chez lui, à Santa Monica, que nous avons inventé le mot femtochimie, lors d’une discussion avec sa femme Norma et son frère Ken.
54Ce mot est réellement approprié, car il rend compte de l’interconnexion entre l’échelle de temps et la chimie, du mariage entre le temps et la matière dans les études de la dynamique de la liaison chimique. Une femtoseconde (fs en abrégé) est un millionième de milliardième de seconde, 0,000 000 000 000 001 seconde ou 10‑15 seconde. Avant la femtoseconde, on trouve l’échelle de la picoseconde, 10‑12 seconde ; de la nanoseconde, 10‑9 seconde ; de la microseconde, 10‑6 seconde ; et de la milliseconde, 10‑3 seconde. Le préfixe milli vient du latin (et du français « millième »), micro et nano du grec (respectivement des mots « petit » et « nain »), et pico de l’espagnol (du mot « petit »). Femto est scandinave, c’est la racine du mot « quinze » (femten) – les physiciens nucléaires désignent le femtomètre, l’unité adaptée à la dimension des noyaux atomiques, sous le nom de fermi. L’attoseconde, l’unité plus petite suivante, 10‑18 seconde, utilise un préfixe venant également du scandinave, du mot « dix-huit ».
55Dick arriva à Caltech en 1986, et en 1988 nous rédigeâmes ensemble un article de fond (publié dans Chemical & Engineering News). La rédaction de cet article fut un véritable plaisir et nous apprit énormément sur la dynamique moléculaire. Dans le cadre cette fois d’une collaboration à part entière, nous publiâmes quelques autres articles. Dick revint à Caltech en 1990, mais malheureusement mourut avant d’avoir achevé son année sabbatique. Il était l’éditeur des prestigieuses Chemical Physics Letters et je le relayai en tant qu’éditeur intérimaire afin d’aider sa femme à traiter les manuscrits en suspens. On me proposa ensuite le poste d’éditeur, que j’acceptai et que j’occupe encore aujourd’hui.
56À cette époque, nous étions convaincus que la nouvelle discipline appelée femtochimie ouvrirait une ère nouvelle à l’étude de la dynamique des atomes et des molécules, et mes laboratoires travaillaient à plein-temps sur des expériences et des applications nouvelles. Mais comment avons-nous atteint le monde de la femtoseconde ? Quelles furent les étapes de cette course contre le temps ?
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